JP7256529B2 - 勾配磁界センサ - Google Patents

Description

本発明は、一様磁界に対して不感で、着磁された検出対象物の通過を検出する磁界センサに関し、特にセンサヘッドと直交する方向に着磁された磁力成分を有する異物をセンサヘッドの全長に亘り不感帯を生じさせない勾配磁界センサに関する。

従来、この種の勾配磁界センサはグラディオメータとして知られ、空間中の２地点での磁界の強さの差に反応して出力を生じるものである。これによって磁性を有する検出対象物による磁界の強さの差に反応して検出できることとなる。この検出に際して、前記検出対象物を予め着磁しておいて、一様に分布する磁界中を通過させ、磁界中に局所的な磁束密度の乱れを生じさせて磁界の乱れを検出するようにしている。

従来の勾配磁界センサとして、特許文献１ないし３及び非特許文献１が存在する。

特許文献１に記載の勾配磁界センサは、励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部１１と、磁気コア１と、磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な第１調整部と、磁気コア２に並列に接続され、磁気コアに通電される前記バイアス直流電流を調整可能な第２調整部と、磁気コアに巻回される検出コイルと、磁気コア及び検出コイルからなるセンサヘッドが外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、磁気コアに巻回され、検出コイル１２と直列接続される検出コイル１１及び検出コイル１２が出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を検出するセンサ回路とを備える構成である。

特に、前記各磁気コアに巻回される各検出コイルは、各磁気コアの全長に亘って各々巻回される構成である。

また、前記特許文献２，３及び非特許文献１のいずれの検出コイルも、前記特許文献１と同様に、磁気コアの全長に亘って各々巻回された構成が開示されている。

このように各々構成される勾配磁界センサは、一様な外部から磁界、地磁気に影響を受けることなく、着磁された磁気微粒子等が発する微小な磁界を検出できることとなる。

特開２０１９－２６８８ 特開２０１７－２１５２５６ 国際公開第２０１５／０６０３４４号公報

Ichiro Sasada, Shoumu Harada, "Fundamental Mode Orthogonal Fluxgate Gradiometer", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 50, NO.11, NOV 2014

しかしながら、前記従来の各勾配磁界センサは、いずれも一対の各磁気コア全長に亘って各検出コイルを巻回し、磁気コアと検出コイルからなる一対のセンサヘッドを構成していたことから、各々の検出コイルにて生じる各不感帯における勾配磁界を検出できないという課題を有していた。

即ち、前記検出コイルにて生じる不感帯は、直線状の磁性体で形成される磁気コアに対してこの磁性体の長手方向に対して直交する方向に着磁された磁気微粒子の検出対象物が近接通過した場合には、前記検出コイルの中央部分で発生する。この不感帯発生について、図１０及び図１１に基づいたシュミレーション結果で説明する。

まず、本シュミレーション動作を実行するに当って、磁気コアの長さを３０ｍｍとし、磁気微粒子（直径５０μｍ）の異物が磁気コア（直径１００μｍ）の直下２ｍｍの距離で離隔しており、異物の磁化の向きが、磁気コアの長手方向に垂直で、且つ当該異物が通過する方向に垂直であるとしている。

センサは一対のセンサヘッド（磁気コアに検出コイルが巻回されたもの）で構成されており、異物が２つのセンサヘッドに対して離隔距離を保ちながらセンサヘッドの長手方向に対して直角に通過することとなる。このセンサヘッド間の距離をｄ［ｍ］、異物の速度をｖ［ｍ／ｓ］とすると、異物が一方のセンサヘッドの直下を通過して他方のセンサヘッドの直下を通過するのに要する時間Δｔは、Δｔ＝ｄ／ｖ［ｓ］であり、異物の磁束が磁気コアに鎖交することによってセンサに出力を生じる（この間における出力演算過程の詳細については省略する）。このセンサは１対のセンサヘッドから形成されるので、一般に出力は２峰性（正の電圧ピークと負の電圧ピークが時差Δｔで合成された形）をとる。

図１０は、磁気微粒子である異物が先端の直下にある場合から基端の直下にある場合まで、場所を５ｍｍ間隔でずらして計算したコア内磁束密度分布を表している。なお、この図１０の磁束密度分布は磁気コアの直下を通過しているときの磁束密度分布であり、磁気コアの直下から遠ざかると磁束密度分布は全領域で０になる。磁気コアに巻回されている検出コイルに鎖交する磁束は曲線とコイル長に対応する横軸の区間で挟まれた面積から計算できることとなる。磁気コア全体に磁気コイルが巻回されている場合は、全区間０‐３０ｍｍに亘って面積計算し、この計算結果を図１１（Ａ）に示す。

図１１（Ａ）は、磁気コアの全体に巻回された検出コイルに鎖交する磁束の量を示すグラフであり、横軸は先端からの距離、一方の検出コイルに鎖交する磁束が実線、他方の検出コイルに鎖交する磁束が鎖線で示されている。これらの各検出コイルを各々差動結合した場合には、実線で示した鎖交磁束が現れ、Δｔ後に鎖線で示した鎖交磁束が現れる。

また、異物が磁気コアの先端付近を通過するときと基端付近を通過するときでは磁束密度の極性が反転する。この理由は、先端付近にあるときは異物からの磁束は磁気コア内を先端方向から基端方向に通過するのに対し、基端付近にあるときは、基端方向から先端方向へ通過するので方向が逆転するからである。正の値から負の値に連続的に変化する場合は、その途中で必ず０が出現するように、磁気コアの全長に亘って磁束を計算すれば磁束密度分布が丁度正と負の領域が等しく現れその積分が０になる点が現れる。

これらの各検出コイルが磁気コアの全長に亘って全体に巻回されている場合は、図１１（Ａ）の鎖交磁束が発生しそれに対応した電圧が生じる。センサは２つのセンサヘッドからなるので、Δｔ後にはもう１つのセンサヘッドの検出コイルにも全く同じ鎖交磁束を与える。ここで、一方のセンサヘッドの検出コイルと他のセンサヘッドの検出コイルは差動結合されているので、一方のセンサヘッドで正のピーク電圧を発生すれば他方のセンサヘッドでは負のピーク電圧を生じる。電圧波形を時間軸で見れば（オシロスコープで観測する波形が時間軸で観測した波形）定性的には図１１（Ｂ）のようになり、２つのピークが生起する時間差はΔｔとなる。

特に、前記図１１（Ａ）から導き出せるもう１つの重要な点は、異物が先端から１５ｍｍの付近を通過すると、一方のセンサヘッドの検出コイルにも他方のセンサヘッドの検出コイルにも磁気反応がなくなる。一般的に言えば、検出コイルが磁気コア全体に一様に施される場合、検出コイルの中央部分は磁気反応がなくなるという盲点があることとなり、技術的にはその周辺でも異物信号をとらえることが困難になる。このように、検出コイルを磁気コアの全長に亘って全体に一様に施している場合には必ず不感帯がその中心付近に現れることとなる。

本発明は前記課題を解消するためになされたものであり、センサヘッドと直交する方向に着磁された磁力成分を有する異物をセンサヘッドの全長に亘り不感帯を生じさせない勾配磁界センサを提供することを目的とする。

本発明に係る勾配磁界センサは、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合する第１の検出コイルと、当該第１の検出コイルと平行又は同軸上に配設され、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合し、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する第２の検出コイル及び第３の検出コイルとを有する第１のセンサヘッドと、前記磁気コアと共通又は同値の励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合すると共に、前記第１の検出コイルと差動結合する第４の検出コイルと、当該第４の検出コイルと平行又は同軸上に配設され、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合し、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する第５の検出コイル及び第６の検出コイルとを有する第２のセンサヘッドと、前記第１及び第２の各センサヘッドから出力される検出電圧に基づいて勾配磁界を検出するセンサ回路とを備えるものである。

このように本発明においては、第１の検出コイル及び第４の検出コイルで磁気反応しない不感帯の領域を第２の検出コイル及び第３の検出コイル、並びに第５の検出コイル及び第６の検出コイルで補うことで、外部からの一様磁界を打消しつつ、センサヘッドの全長に亘って不感帯がない状態で微小異物を検出することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る勾配磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。 第１の実施形態に係る勾配磁界センサにおけるセンサヘッドの断面模式図である。 第１の実施形態に係る勾配磁界センサにおいて微小異物が通過する位置に対する検出コイルの鎖交磁束の変化を示す図である。 第１の実施形態に係る勾配磁界センサにおいて微小異物が第１の検出コイルの中心位置に存在する場合の微小異物の磁束を示す図である。 第１の実施形態に係る勾配磁界センサにおける第２の検出コイル及び第３の検出コイルの構成の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る勾配磁界センサの構成を示す第１の回路ブロック図である。 第２の実施形態に係る勾配磁界センサの構成を示す第２の回路ブロック図である。 第２の実施形態に係る勾配磁界センサにおいて微小異物が通過する位置に対する検出コイルの鎖交磁束の変化を示す図である。 第２の実施形態に係る勾配磁界センサにおける第５の検出コイル及び第６の検出コイルの構成の一例を示す図である。 従来の勾配磁界センサにおいて磁気微粒子である異物が先端の直下にある場合から基端の直下にある場合まで、場所を５ｍｍ間隔でずらして計算したコア内磁束密度分布を表している。 従来の勾配磁界センサの特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る勾配磁界センサについて、図１ないし図５を用いて説明する。本実施形態に係る勾配磁界センサは、基本波型直交フラックスゲートセンサを構成する２つのセンサヘッドを用いて局所磁界（勾配磁界）を検知するグラディオメータを用いたものであり、それぞれのセンサヘッドにおける不感帯をなくし、センサヘッドのどの領域であっても検知対象となる極めて微小な異物などの局所磁界を高感度に検知するものである。

図１は、本実施形態に係る勾配磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。勾配磁界センサ１０のセンサヘッド１（第１のセンサヘッド）は、磁気コア１１０（第１の磁気コア）と、当該磁気コア１１０に磁気結合し磁気コア１１０の略全体に巻回される検出コイル１１（第１の検出コイル）と、磁気コア１１０に磁気結合し検出コイル１１の上層に当該検出コイル１１と同軸上に巻回され、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する検出コイル１２（第２の検出コイル）及び検出コイル１３（第３の検出コイル）とを有する。また、センサヘッド２（第２のセンサヘッド）は、磁気コア２１０（第２の磁気コア）と、当該磁気コア２１０に磁気結合し磁気コア２１０の略全体に巻回される検出コイル２１（第４の検出コイル）と、磁気コア２１０に磁気結合し検出コイル２１の上層に当該検出コイル２１と同軸上に巻回され、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する検出コイル２２（第５の検出コイル）及び検出コイル２３（第６の検出コイル）とを有する。

磁気コア１１０及び磁気コア２１０は、例えば、Ｕ字型（又はヘアピン型）やＷ型に形成されたＣｏ基アモルファスワイヤにより構成される。なお、Ｕ字型やＷ型以外にＩ字型（棒状）であってもよい。その場合、折り返し部分を導線などの配線で構成するようにしてもよい。また、磁気コア１１０及び磁気コア２１０に用いる材料は、導電率が高く適切な軟磁性を有する材料であればこれに限定されない。例えば、磁気歪みが小さい、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍ程度の断面を持つ細長いコバルト基アモルファス磁性薄帯を用いることができる。さらに、直径０．１ｍｍ程度のパーマロイワイヤや、断面が幅１ｍｍ、厚さ１０～２０μｍ程度のパーマロイ薄帯を用いることもできる。

ここで、磁性コイル１１０、検出コイル１１、検出コイル１２及び検出コイル１３の配置構成について、図２を用いて説明する。図２は、センサヘッド１の断面模式図である。検出コイル１１は、磁気コア１１０の周囲を包むように、その延在方向（Ｚ軸線）回りに略全体に亘って巻回されるコイルである。検出コイル１２は、検出コイル１１の上層に当該検出コイル１１を覆うように同軸上に巻回され、検出コイル１１の基端部から中心位置まで巻回されるコイルである。検出コイル１３は、検出コイル１１の上層に当該検出コイル１１を覆うように同軸上に巻回され、検出コイル１１の先端部から中心位置まで巻回されるコイルである。検出コイル１２と検出コイル１３は、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合するように配設される。すなわち、検出コイル１２が、検出コイル１１の基端部から中心位置までＮターンで左右のいずれか一方の巻き方向に巻回されたとすると、検出コイル１３は、検出コイル１２に連続して検出コイル１１の中心位置から先端部までＮターンで左右のいずれか他方の巻き方向に巻回される。センサヘッド２の検出コイル２１、検出コイル２２及び検出コイル２３も、それぞれ検出コイル１１、検出コイル１２及び検出コイル１３と同様の状態で磁気コア２１０に巻回される。なお、図２における括弧内の符号はセンサヘッド２の構成要素を示すものである。

図１に戻って、磁気コア１１０及び磁気コア２１０は、交流電源ＶＥＸと、その振幅より大きな値を持つ直流電源Ｅとを有する電源部４と直列に接続される。交流電源ＶＥＸ及び直流電源Ｅが、磁気コア１１０及び磁気コア２１０に対して、所定の交流電圧及び直流電圧を印加して通電することで、センサヘッド１、２が励磁される。これにより、センサヘッド１、２は、各々の延在方向に沿う磁界に応じた検出電圧を出力可能な、いわゆる直交フラックスゲートセンサ（基本波型直交フラックスゲート（ＭＦ－ＯＦＧ：Fundamental mode orthogonal fluxgate））をなし、バルクハウゼンノイズの低減及びセンサの高感度化を図ることができる。

また、図１に示すように、検出コイル１１及び検出コイル２１は、直列接続となるように各々の一端が電気配線で結線される。検出コイル２１の他端側はグラウンドに接続され、検出コイル１１の他端側はフラックスゲートセンサ回路３に接続される。検出コイル１１と、検出コイル２１とは、同一方向の磁界に対して生じる誘起電圧（検出電圧Ｖ１、Ｖ２）が互いに打ち消し合うように（互いの極性が逆向きとなるように）差動結合で接続される。

フラックスゲートセンサ回路３は、同期検波回路３０（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detector）、平滑回路３１（Smoothing Filter）、及び誤差増幅機３２（Error Amplifier）を有して負帰還回路（参考文献：笹田一郎・村上雅則：「負帰還構成にした基本波型直交フラックスゲートの動作と特性」、電気学会研究会資料、MAG-08-133（2008）を参照）を構成する。センサヘッド１、２の検出コイル１１及び検出コイル２１からの出力Ｖ２－Ｖ１は、コンデンサＣ、同期検波回路３０及び平滑回路３１を通じて、センサ出力Ｖ２－Ｖ１に応じた所定電圧となって、誤差増幅器３２に送られる。その後、誤差増幅器３２への入力（センサ出力Ｖ２－Ｖ１）が０になるように、帰還抵抗Ｒｆを通して帰還電流ｉｆが検出コイル１１及び検出コイル２１に流れる。このときに帰還抵抗Ｒｆに生じる電圧の変位がセンサ出力Ｖ２－Ｖ１に相当する。

このような回路構成により、同一方向の磁界に対しては、検出コイル１１の検出電圧Ｖ１及び検出コイル２１の検出電圧Ｖ２の合成電圧（センサ出力）として、それぞれのセンサヘッド１、２から出力される検出電圧の差分を取ったもの（Ｖ２－Ｖ１）が現れる。つまり、遠方から到達してくるような一様磁界に関しては、センサヘッド１、２の両方で同様にピックアップされてセンサ出力には現れない。しかし、局所的な磁界に対しては、それぞれの検出電圧が加算されてセンサ出力として観測される。これにより、一様磁界の雑音を除去して信号を検出する事ができるようになり、対雑音性能を向上させることができる。

ただし、検出コイル１１及び検出コイル２１は、上記課題で示したようにその中心部分で不感帯を有する。検出コイル１２及び検出コイル１３は、検出コイル１１の不感帯を補完し、検出コイル２２及び検出コイル２３は、検出コイル２１の不感帯をそれぞれ補完するために配設されている。検出コイル１２及び検出コイル１３は、同一方向の磁界に対して生じる誘起電圧が互いに打ち消し合うように（互いの極性が逆向きとなるように）、検出コイル１１の中心位置で各々の一端が差動結合により接続される。検出コイル２２及び検出コイル２３も同様で、検出コイル２１の中心位置で各々の一端が差動結合により接続される。検出コイル１２の他端と検出コイル２３の他端は、直列接続となるように各々が電気配線で結線される。検出コイル１３の他端はグラウンドに接続され、検出コイル２２の他端は補助センサ回路５に接続される。

補助センサ回路５は、検出コイル１２及び１３、並びに検出コイル２２及び２３から出力される電圧を積分するコンデンサＣ５と、これを同期検波する同期検波回路５２と、同期検波後の信号を低周波増幅する平滑回路５３とを備える。つまり、補助センサ回路５は、負帰還回路である必要はなく、検出コイル１１及び検出コイル２１への影響を排除するためにハイインピーダンスの状態にしておく必要がある。

このような回路構成とすることで、遠方から到達してくるような一様磁界に関しては、検出コイル１２及び検出コイル１３のカップリング、検出コイル２２及び検出コイル２３のそれぞれのカップリングで打ち消し合ってセンサ出力には現れない。一方で、検出コイル１１や検出コイル２１の中心付近に存在する微小異物の局所的な磁界に対しては、それぞれの検出電圧が加算されてセンサ出力として観測される。これにより、検出コイル１２及び検出コイル１３のカップリング、並びに検出コイル２２及び検出コイル２３のカップリングのそれぞれは、一様磁界の雑音を除去して検出コイル１１や検出コイル２１の中心付近の異物による信号を確実に検出する事ができるようになり、センサヘッド１，２全体で不感帯を無くすことができる。

そして、フラックスゲートセンサ３の出力結果及び補助センサ回路５の出力結果に基づいて、勾配磁界判別部６が勾配磁界の有無、すなわち微小異物の有無を判別して検出する。

図３は、微小異物が通過する位置に対する検出コイル１２（２２）及び検出コイル１３（２３）の鎖交磁束の変化を示す図である。ここでは、３０ｍｍ長の磁気コア１１０全体に１０００ターンの検出コイル１１が巻回されており、検出コイル１１の上層に当該検出コイル１１の中心位置で分割された５００ターンの検出コイル１２と検出コイル１３とが差動結合で配設された場合のシミュレーション結果を示すものである。微小異物は、磁気コア１１０の長手方向に垂直な方向に磁化されており、磁気コア１１０からの最短距離は２ｍｍを想定したものである。

ここで仮に、微小異物が検出コイル１１の中心位置に存在するとした場合、微小異物の磁束は図４に示すように検出コイル１２側と検出コイル１３側に分かれ、各検出コイル１２，１３は差動結合していることから、微小異物の磁束が加算でピックアップされる。そのため、図３の実線で示すように、検出コイル１１の中心位置に対応する位置で最も高い感度となり、検出コイル１１の不感帯となっていた領域に対する補償効果を発揮することができる。センサヘッド２に関しても同様で、図３の破線で示すように、検出コイル２１の不感帯となっていた領域に対して検出コイル２２及び２３で補償することができる。

なお、上記図１ないし図４の説明においては、検出コイル１２及び検出コイル１３を検出コイル１１の中心位置を境に同じターン数で対称性を有して配設する構成で説明したが、検出コイル１１の中心位置付近において、鎖交磁束を同じくして差動結合する構成であればよい。

例えば、図５（Ａ）に示すように、検出コイル１２を検出コイル１１の中心位置付近に形成し、検出コイル１３を検出コイル１１の先端位置付近に形成し、中心位置付近に形成された検出コイル１２のターン数を少なくし、先端位置付近に形成された検出コイル１３のターン数を多くするように形成されてもよい。すなわち、磁気コア１１０の中に生じる一様磁界の磁束密度は、中心位置ほど大きく端部に向かうほど小さくなっているため、外部からの一様磁界が磁気コア１１０の中に生じる磁束密度を鎖交磁束として等しくピックアップできるように検出コイル１２及び検出コイル１３の配置とターン数を調整して構成されればよい。また、検出コイル２２及び検出コイル２３の構成についても同様である。

また、図５（Ｂ）に示すように、検出コイル１２及び検出コイル１３を検出コイル１１の中心付近にのみ鎖交磁束を同じくして差動結合するように配設されてもよい。検出コイル２２及び検出コイル２３の構成についても同様である。

さらに、上記説明においては検出コイル１２及び検出コイル１３を検出コイル１１の外側に積層して巻回する構成としたが、検出コイル１２及び検出コイル１３が内側で検出コイル１１が外側であってもよい。検出コイル２１、２２及び２３についても同様である。

さらにまた、磁気コア１１０，２１０を励磁するための電源部４は、図１に示すようにそれぞれの磁気コア１１０，２１０に共通であってもよいし、別構成として同じ電圧値を印加するようにしてもよい。

このように本発明においては、検出コイル１１及び検出コイル２１で磁気反応しない不感帯の領域を検出コイル１２及び検出コイル１３、並びに検出コイル２２及び検出コイル２３で補うことで、外部からの一様磁界を打消しつつ、センサヘッド１，２の全長に亘って不感帯がない状態で微小異物を検出することができる。

また、検出コイル１１の上層で、且つ当該検出コイル１１と同軸上に検出コイル１２及び検出コイル１３が配設され、検出コイル２１の上層で、且つ検出コイル２１と同軸上に検出コイル２２及び検出コイル２３が配設される簡単な構成とすることで、製造の手間を省いて安価なセンサを実現することが可能になる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る勾配磁界センサについて、図６ないし図９を用いて説明する。本実施形態に係る勾配磁界センサは、前記第１の実施形態の場合と同様に検出コイル１１～１３及び検出コイル２１～２３を備える構成であるが、検出コイル１１が巻回される磁気コアと検出コイル１２及び１３が巻回される磁気コアが別体となっている。同様に、検出コイル２１が巻回される磁気コアと検出コイル２２及び２３が巻回される磁気コアが別体となっているものである。

図６は、本実施形態に係る勾配磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。前記第１の実施形態における図１と異なるのは、センサヘッド１が、磁気コア１１０に磁気結合すると共に磁気コア１１０の略全体に検出コイル１１が巻回されて形成される第１ヘッド１ａと、磁気コア１１０とは別体の磁気コア１１１（第３の磁気コア）に磁気結合すると共に鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する検出コイル１２及び検出コイル１３が巻回されて形成される第２ヘッド１ｂとのペアで構成されている点である。第１ヘッド１ａと第２ヘッド１ｂとは、長手方向に略同一長の検出範囲を有しており、それぞれの端部が揃うように平行に隣接配設される。

また、同様に、センサヘッド２が、磁気コア２１０に磁気結合すると共に磁気コア２１０の略全体に検出コイル２１が巻回されて形成される第３ヘッド２ａと、磁気コア２１０とは別体の磁気コア２１１（第４の磁気コア）に磁気結合すると共に鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する検出コイル２２及び検出コイル２３が巻回されて形成される第４ヘッド２ｂとのペアで構成されている点である。第３ヘッド２ａと第４ヘッド２ｂとは、略同一長の検出範囲を有しており、それぞれの端部が揃うように平行に隣接配設される。

さらに、第２ヘッド１ｂの検出コイル１２及び検出コイル１３、並びに第４ヘッド２ｂの検出コイル２２及び検出コイル２３は、図１のような補助センサ回路５ではなく、別途設けられたフラックスゲートセンサ回路３’に接続されている。以下、各構成について詳細に説明する。

磁気コア１１１及び磁気コア２１１は、前記第１の実施形態における磁気コア１１０及び磁気コア２１０と同一の構成となっており、例えば、Ｕ字型（又はヘアピン型）やＷ型に形成されたＣｏ基アモルファスワイヤにより構成される。なお、Ｕ字型やＷ型以外にＩ字型（棒状）であってもよい。その場合、折り返し部分を導線などの配線で構成するようにしてもよい。また、磁気コア１１１及び磁気コア２１１に用いる材料は、導電率が高く適切な軟磁性を有する材料であればこれに限定されない。例えば、磁気歪みが小さい、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍ程度の断面を持つ細長いコバルト基アモルファス磁性薄帯を用いることができる。さらに、直径０．１ｍｍ程度のパーマロイワイヤや、断面が幅１ｍｍ、厚さ１０～２０μｍ程度のパーマロイ薄帯を用いることもできる。

検出コイル１１は、前記第１の実施形態の場合と同様に、磁気コア１１０の周囲を包むように、その延在方向（Ｚ軸線）回りに略全体に亘って巻回される。検出コイル１２は、検出コイル１１の基端部の位置に対応する磁気コア１１１の位置から、検出コイル１１の中心位置に対応する磁気コア１１１の位置まで巻回される。検出コイル１３は、検出コイル１１の先端部の位置に対応する磁気コア１１１の位置から、検出コイル１１の中心位置に対応する磁気コア１１１の位置まで巻回される。検出コイル１２と検出コイル１３は、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合するように配設される。すなわち、検出コイル１２が、検出コイル１１の基端部から中心位置までＮターンで左右のいずれか一方の巻き方向に巻回されたとすると、検出コイル１３は、検出コイル１２に連続して検出コイル１１の中心位置から先端部までＮターンで左右のいずれか他方の巻き方向に巻回される。

なお、検出コイル２１～２３についても上記と同様であり、検出コイル２１が磁気コア２１０の周囲を包むように、その延在方向（Ｚ軸線）回りに略全体に亘って巻回される。検出コイル２２は、検出コイル２１の基端部の位置に対応する磁気コア２１１の位置から、検出コイル２１の中心位置に対応する磁気コア２１１の位置まで巻回され、検出コイル１３は、検出コイル２１の先端部の位置に対応する磁気コア２１１の位置から、検出コイル２１の中心位置に対応する磁気コア２１１の位置まで巻回される。第１ヘッド１ａと第２ヘッド１ｂは端部が揃うように平行に隣接配設されてセンサヘッド１を構成し、第３ヘッド２ａと第４ヘッド２ｂも同様に端部が揃うように平行に隣接配設されてセンサヘッド２を構成し、検査時にはセンサヘッド１とセンサヘッド２とは離隔した位置に配置される。

図６に示すように、磁気コア１１０、磁気コア１１１、磁気コア２１０及び磁気コア２１１は、交流電源ＶＥＸと、その振幅より大きな値を持つ直流電源Ｅとを有する電源部４と直列に接続される。交流電源ＶＥＸ及び直流電源Ｅが、磁気コア１１０、磁気コア１１１、磁気コア２１０及び磁気コア２１１に対して、所定の交流電圧及び直流電圧を印加して通電することで、センサヘッド１、２が励磁される。また、図６に示すように、検出コイル１１及び検出コイル２１は、直列接続となるように各々の一端が電気配線で結線される。検出コイル２１の他端側はグラウンドに接続され、検出コイル１１の他端側はフラックスゲートセンサ回路３に接続される。検出コイル１１と、検出コイル２１とは、同一方向の磁界に対して生じる誘起電圧（検出電圧Ｖ１、Ｖ２）が互いに打ち消し合うように（互いの極性が逆向きとなるように）差動結合で接続される。これにより、同一方向の磁界に対しては、検出コイル１１の検出電圧Ｖ１及び検出コイル２１の検出電圧Ｖ２の合成電圧（センサ出力）として、それぞれのセンサヘッド１、２から出力される検出電圧の差分を取ったもの（Ｖ２－Ｖ１）が現れる。このようにすることで、遠方から到達してくるような一様磁界に関しては、センサヘッド１、２の両方で同様にピックアップされてセンサ出力には現れない。しかし、局所的な磁界に対しては、それぞれの検出電圧が加算されてセンサ出力として観測される。これにより、一様磁界の雑音を除去して信号を検出する事ができるようになり、対雑音性能を向上させることができる。

前記第１の実施形態の場合と同様に、検出コイル１２及び検出コイル１３は、検出コイル１１の不感帯を補完し、検出コイル２２及び検出コイル２３は、検出コイル２１の不感帯をそれぞれ補完するために配設される。検出コイル１２及び検出コイル１３は、同一方向の磁界に対して生じる誘起電圧が互いに打ち消し合うように（互いの極性が逆向きとなるように）、検出コイル１１の中心位置で各々の一端が差動結合により接続される。検出コイル２２及び検出コイル２３も同様で、検出コイル２１の中心位置で各々の一端が差動結合により接続される。検出コイル１２の他端と検出コイル２３の他端は、直列接続となるように各々が電気配線で結線される。検出コイル２２の他端はグラウンドに接続され、検出コイル１３の他端はフラックスゲートセンサ回路３’に接続される。こうすることで、第１ヘッド１ａや第３ヘッド２ａとは別体として配設される第２ヘッド１ｂ及び第４ヘッド２ｂの出力電圧を安定させることができる。

このような回路構成とすることで、遠方から到達してくるような一様磁界に関しては、検出コイル１２及び検出コイル１３のカップリング、検出コイル２２及び検出コイル２３のそれぞれのカップリングごとに打ち消し合ってセンサ出力には現れない。一方で、検出コイル１１や検出コイル２１の中心付近に存在する微小異物の局所的な磁界に対しては、それぞれの検出電圧が加算されてセンサ出力として観測される。これにより、検出コイル１２及び検出コイル１３のカップリング、並びに検出コイル２２及び検出コイル２３のカップリングのそれぞれは、一様磁界の雑音を除去して検出コイル１１や検出コイル２１の中心付近の異物による信号を確実に検出する事ができるようになり、センサヘッド１，２全体で不感帯を無くすことができる。

なお、図７に示すように、フラックスゲートセンサ回路３’に代わって補助センサ回路５を備える構成であってもよい。また、図６及び図７においては、第２ヘッド１ｂと第４ヘッド２ｂとを差動結合で接続することで、図１１（Ｂ）に示すような正負の信号を出力するようにしているが、必ずしも差動結合ではなく和動結合であってもよい。その場合、検出信号は正のみ又は負のみに現れることとなる。さらに、第１ヘッド１ａ、第２ヘッド１ｂ、第３ヘッド２ａ及び第４ヘッド２ｂの配置関係は、第１ヘッド１ａと第３ヘッド２ａとの距離ｄ＝第２ヘッド１ｂと第４ヘッド２ｂとの距離ｄとなるように平行に配置されることが望ましい。すなわち、微小異物の検出範囲は磁気コア間の距離（ベースライン長という）に依存しているため、上記のような配置構成とすることで第１ヘッド１ａ及び第３ヘッド２ａの検出範囲と、第２ヘッド１ｂ及び第４ヘッド２ｂの検出範囲を同じにすることが望ましい。

図８は、微小異物が通過する位置に対する各検出コイルの鎖交磁束の変化を示す図である。図８（Ａ）は検出コイル１１及び検出コイル２１の鎖交磁束の変化を示し、図８（Ｂ）は検出コイル１２及び１３、並びに検出コイル２２及び２３の鎖交磁束の変化を示している。ここでは、３０ｍｍ長の磁気コア１１０全体に１０００ターンの検出コイル１１が巻回されており、３０ｍｍ長の磁気コア１１１の基端部から中心位置までに５００ターンの検出コイル１２、中心位置から先端部までに５００ターンの検出コイル１３が差動結合で配設された場合のシミュレーション結果を示すものである。微小異物は、磁気コア１１０及び磁気コア１１１の長手方向に垂直な方向に磁化されており、磁気コア１１０及び磁気コア１１１からの最短距離は２ｍｍを想定したものである。

ここで仮に、微小異物が検出コイル１１の中心位置に存在するとした場合、微小異物の磁束は図３の場合と同様に検出コイル１２側と検出コイル１３側に分かれ、各検出コイル１２，１３は差動結合していることから、微小異物の磁束が加算でピックアップされる。そのため、図８（Ｂ）の実線で示すように、検出コイル１１の中心位置に対応する位置で最も高い感度となり、検出コイル１１の不感帯となっていた領域（図８（Ａ）を参照）に対する補償効果を発揮することができる。センサヘッド２に関しても同様で、図８（Ｂ）の破線で示すように、検出コイル２１の不感帯となっていた領域に対して検出コイル２２及び２３で補償することができる。

なお、上記図６ないし図８においては、検出コイル１２及び検出コイル１３を検出コイル１１の中心位置に対応する磁気コア１１１の位置を境に同じターン数で対称性を有して配設する構成で説明したが、検出コイル１１の中心位置に対応する磁気コア１１１の位置付近において、鎖交磁束を同じくして差動結合する構成であればよい。

例えば、図９（Ａ）に示すように、検出コイル１２を磁気コア１１１の中心位置付近に形成し、検出コイル１３を磁気コア１１１の先端位置付近に形成し、中心位置付近に形成された検出コイル１２のターン数を少なくし、検出コイル１３のターン数を多くするように形成されてもよい。すなわち、磁気コア１１１の中に生じる一様磁界の磁束密度は、中心位置ほど大きく端部に向かうほど小さくなっているため、外部からの一様磁界が磁気コア１１０の中に生じる磁束密度を鎖交磁束として等しくピックアップできるように検出コイル１２及び検出コイル１３の配置とターン数を調整して構成されればよい。また、検出コイル２２及び検出コイル２３の構成についても同様である。

また、図９（Ｂ）に示すように、検出コイル１２及び検出コイル１３を磁気コア１１１の中心付近にのみ鎖交磁束を同じくして差動結合するように配設されてもよい。検出コイル２２及び検出コイル２３の構成についても同様である。

なお、磁気コア１１０，１１１，２１０及び２１１を励磁するための電源部４は、図６及び図７に示すようにそれぞれの磁気コアに共通であってもよいし、別構成として同じ電圧値を印加するようにしてもよい。また、磁気コア１１０及び２１０の電源部４を共通とし、磁気コア１１１及び２１１の電源部４を共通とするような構成であってもよい。

このように本発明においては、検出コイル１１及び検出コイル２１で磁気反応しない不感帯の領域を検出コイル１２及び検出コイル１３、並びに検出コイル２２及び検出コイル２３で補うことで、外部からの一様磁界を打消しつつ、センサヘッド１，２の全長に亘って不感帯がない状態で微小異物を検出することができる。

また、検出コイル１１と平行に検出コイル１２及び検出コイル１３が配設され、検出コイル２１と平行に検出コイル２２及び検出コイル２３が配設される簡単な構成とすることで、製造の手間を省いて安価なセンサを実現することが可能になる。

１，２ センサヘッド
１ａ 第１ヘッド
１ｂ 第２ヘッド
２ａ 第３ヘッド
２ｂ 第４ヘッド
３ フラックスゲートセンサ回路
４ 電源部
５ 補助センサ回路
６ 勾配磁界判別部
１０ 勾配磁界センサ
１１，１２，１３ 検出コイル
２１，２２，２３ 検出コイル
３０ 同期検波回路
３１ 平滑回路
３２ 誤差増幅器
５２ 同期検波回路
５３ 平滑回路
１１０，１１１，２１０，２１１ 磁気コア
Ｅ 直流電源
ＶＥＸ 交流電源

Claims (5)

1. 励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合する第１の検出コイルと、当該第１の検出コイルと平行又は同軸上に配設され、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合し、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する第２の検出コイル及び第３の検出コイルとを有する第１のセンサヘッドと、
   前記磁気コアと共通又は同値の励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合すると共に、前記第１の検出コイルと差動結合する第４の検出コイルと、当該第４の検出コイルと平行又は同軸上に配設され、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される磁気コアに磁気結合し、鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する第５の検出コイル及び第６の検出コイルとを有する第２のセンサヘッドと、
   前記第１及び第２の各センサヘッドから出力される検出電圧に基づいて勾配磁界を出力するセンサ回路とを備えることを特徴とする勾配磁界センサ。
2. 請求項１に記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第１の検出コイルの上層で、且つ当該第１の検出コイルと同軸上に前記第２の検出コイル及び第３の検出コイルが配設され、前記第１、第２及び第３の各検出コイルが、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される第１の磁気コアを共通に巻回されており、
   前記第４の検出コイルの上層で、且つ当該第４の検出コイルと同軸上に前記第５の検出コイル及び第６の検出コイルが配設され、前記第４、第５及び第６の各検出コイルが、前記第１の磁気コアと共通又は同値の励磁用の交流電流及び直流電流が通電される第２の磁気コアを共通に巻回されている勾配磁界センサ。
3. 請求項１に記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第１の検出コイルが、励磁用の交流電流及び直流電流が通電される第１の磁気コアに巻回され、前記第２及び第３の各検出コイルが、前記第１の検出コイルと平行に配設され、且つ前記第１の磁気コアと共通又は同値の励磁用の交流電流及び直流電流が通電され、前記第１の磁気コアと平行に隣接配設される第２の磁気コアに巻回されており、
   前記第４の検出コイルが、前記第１及び第２の磁気コアと共通又は同値の励磁用の交流電流及び直流電流が通電される第３の磁気コアに巻回され、前記第５及び第６の各検出コイルが、前記第４の検出コイルと平行に配設され、且つ前記第３の磁気コアと共通又は同値の励磁用の交流電流及び直流電流が通電され、前記第３の磁気コアと平行に隣接配設される第４の磁気コアに巻回されている勾配磁界センサ。
4. 請求項２又は３に記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第２及び第３の各検出コイルが、前記第１の検出コイルの中心位置に対応する位置を境にして鎖交磁束を同じくして相互に差動結合し、前記第５及び第６の各検出コイルが、前記第４の検出コイルの中心位置に対応する位置を境にして鎖交磁束を同じくして相互に差動結合する勾配磁界センサ。
5. 請求項４に記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第２及び第３の各検出コイルが、前記第１の検出コイルの中心位置に対応する位置を境にして同一巻数で対称となる位置に配設されて相互に差動結合し、前記第５及び第６の各検出コイルが、前記第４の検出コイルの中心位置に対応する位置を境にして同一巻数で対称となる位置に配設されて相互に差動結合する勾配磁界センサ。
   
   

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